-
Zum Betrieb von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb werden Akkumulatoren und Antriebe mit hoher Nennspannung verwendet, um hohe Traktionsleistungen zu ermöglichen.
-
Zur Aufladung werden entsprechend hohe Spannungen verwendet, wobei sich die hierin beschriebenen Lösungen auf das Laden mittels Gleichstrom bezieht, welches keine Gleichrichtung der elektrischen Ladeleistung erfordert.
-
Die zum Gleichstromladen verwendeten Hochvolt-Spannungen (typischerweise größer als 200 V, beispielsweise im Bereich von 400 - 500 V oder 800 - 850 V) sind für den Menschen gefährlich, weshalb der betreffende Strom mittels zweier Gleichspannungspotentiale übertragen wird, die gegenüber einem Bezugspotential (Chassispotential oder Erdungspotential) isoliert sind.
-
Es kann durch Schädigung der Isolation zu Isolationsfehlern kommen, die zu gefährlichen Berührströmen für den Nutzer führen können. Im Bereich des Gleichstromladens ist bekannt, einen Isolationsfehler aktiv zu erfassen, indem mittels eines Prüfstroms der Isolationswiderstand zwischen einem Bezugspotential einerseits und einem der Hochvoltpotentiale andererseits ermittelt und ausgewertet wird.
-
Eine entsprechende Herangehensweise ist in der Druckschrift
DE 10 2018 217 574 A1 beschrieben. Üblicherweise wird dadurch der Isolationswiderstand vor Beginn des Gleichstrom-Ladevorgangs ermittelt.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Berührströme, die aus Isolationsfehlern resultieren, während eines Gleichstrom-Ladevorgangs erfassen lassen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
-
Es wird vorgeschlagen, Berührströme beim Gleichspannungsladen zu erfassen, indem ein Fehlerstrom, d.h. eine Differenz der Ströme, die von den Hochvolt-Stromschienen getragen werden, ermittelt wird. In einer Hochvolt-Gleichstromladevorrichtung wird die Ladeleistung über zwei Hochvolt-Stromschienen (d.h. über zwei Hochvoltpotentiale) übertragen. Führt die erste Hochvolt-Stromschiene (etwa die positive) mehr Strom, als über die zweite zurückgeführt wird, muss notwendigerweise ein Isolationsfehler vorliegen, d.h. es muss ein Strom von der ersten Hochvolt-Stromschiene wegfließen, der nicht über die zweite Hochvolt-Stromschiene zurückgeführt wird. Diese Differenz gibt im Falle eines Isolationsfehlers, der einen Berührstrompfad eröffnet, den Berührstrom an. Überschreitet der Berührstrom bzw. die Differenz betragsmäßig eine Grenze, dann kann von einem Fehler ausgegangen werden.
-
Es wird der Gleichtaktstrom gemessen, d.h. die Summe des Stroms in der ersten Hochvolt-Stromschiene und der zweiten Hochvolt-Stromschiene (unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Stromrichtungen). Diese Summe ist null, sofern die Beträge der Ströme in den Stromschienen die gleichen sind, d.h. sofern die Stromstärke (incl. Vorzeichen) des Stroms in der ersten Stromschiene addiert zu der Stromstärke (incl. Vorzeichen) des Stroms in der zweiten Stromschiene null ergibt. Mit anderen Worten entspricht der Gleichtaktstrom in diesem Kontext der Differenz der Beträge der Stromstärken in den beiden Stromschienen. Ist die Abweichung der Beträge größer als eine Grenze (die beispielsweise einer zulässigen Berührstromgrenze einer Norm entsprechen kann oder eine Sicherheitsmarge unter dieser liegt), dann wird ein Fehlersignal abgegeben. Das Fehlersignal signalisiert bzw. kennzeichnet einen Strom, der aufgrund eines Isolationsfehlers fließt und der eine Grenze überschreitet, insbesondere einen Berührstrom, der eine (vorgegebene) Grenze überschreitet. Die Stromsensorvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, den Gleichtaktstrom der beiden Hochvolt-Stromschienen als einen gemeinsamen Gleichtaktstrom zu erfassen.
-
Als Stromschiene wird allgemein ein Leiterstück bezeichnet, etwa eine Verkabelung oder eine Leiterbahn. Die Vorsilbe „Hochvolt-“ kennzeichnet eine Nennspannung oder maximale Betriebsspannung der betreffenden Komponente, die über 60 V liegt, insbesondere von mindestens 200 V, 400 V, 600 V oder 800 V. Diese Spannungsangabe bezieht sich bei Stromschienen auf die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Stromschiene.
-
Es wird eine Überwachungsschaltung für eine Hochvolt-Gleichstromladevorrichtung beschrieben. Die Ladevorrichtung selbst ist nicht Teil der Überwachungsschaltung. Der Begriff Hochvolt-Gleichstromladevorrichtung ist allgemein zu verstehen und kann die Quelle (Ladestation), die Übertragungsstrecke (Ladekabel, Ladeverbindung mit Wandler, ...) sowie die Senke (Fahrzeugbordnetz, Fahrzeugladeschaltung (d.h. fahrzeuginterne Ladeschaltung, fahrzeuginternes Akkumulatormodul, ...) der Ladeleistung betreffen. Die Überwachungsschaltung kann in einem oder mehreren dieser Systemkomponenten (Quelle, Übertragungsstrecke, Senke) vorgesehen sein.
-
Die Überwachungsschaltung weist eine erste Hochvolt-Stromschiene und eine zweite Hochvolt-Stromschiene auf. Diese Stromschienen sind elektrisch isoliert von einem Bezugspotential bzw. Anschluss oder Stromschiene hierfür. Das Bezugspotential liegt auch in der Überwachungsschaltung vor, insbesondere da sowohl Ladeleistungsquelle, -übertragungsstrecke als auch -senke aus Sicherheitsgründen an ein Bezugspotential angebunden sind. Das Bezugspotential kann vorgesehen sein durch einen PE-Leiter bzw. einem Erdungspotential, etwa einer Ladestation, oder einem Fahrzeugchassis- oder Fahrzeugmassepotential eines Fahrzeugs, wobei das Bezugspotential der Ladestation bei angeschlossenem Fahrzeug an das Bezugspotential des Fahrzeugs (bzw. Fahrzeugbordnetzes) angeschlossen ist.
-
Die Überwachungsschaltung verfügt über eine Stromsensorvorrichtung. Diese ist eingerichtet ist, einen durch die Hochvolt-Stromschienen fließenden Gleichtaktstrom zu erfassen. Hierbei kann die Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein, die durch die Stromschienen fließenden Ströme einzeln zu erfassen und die Summe (unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Vorzeichen aufgrund der entgegengesetzten Stromflussrichtungen) zu bilden. Es kann in jeder Stromschiene ein Stromerfassungelement (etwa ein Shuntwiderstand) vorgesehen sein, durch den der Strom der betreffenden Stromschiene fließt. Ferner kann die Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein, den Gleichtaktstrom, der durch die Gesamtheit der Stromschienen fließt, zu erfassen. Mit anderen Worten kann die Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein, die Stromdifferenz der durch die Stromschienen fließenden Ströme (Strombeträge) zu erfassen. Es kann beispielsweise ein Magnetkern vorgesehen sein, den die Stromschienen in gleicher Richtung durchdringen, so dass die Magnetisierung des Magnetkerns unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Stromflussrichtungen der Stromschienen der Differenz der Strombeträge entspricht (und somit der Summe der Stromschienen-Ströme unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Vorzeichen).
-
Es ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, die von der Stromsensorvorrichtung abgegebenen Messsignale zu verarbeiten und abhängig von dem Gleichtaktstrom, der von der Stromsensorvorrichtung an die Steuereinrichtung abgegeben wird, ein Fehlersignal abzugeben, oder nicht. Die Stromsensorvorrichtung ist signalübertragend mit der Steuereinrichtung verbunden. Dadurch erhält die Steuereinrichtung das Messsignal, welches den Gleichtaktstrom wiedergibt. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet ist, ein Fehlersignal abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet. Das Fehlersignal gibt einen unzulässig hohen Berührstrom bzw. Fehlerstrom bzw. Gleichtaktstrom wieder. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, kein Fehlersignal (welches einen zu hohen Gleichtaktstrom wiedergibt) abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms nicht über der Grenze liegt. Die Steuereinrichtung ist somit eingerichtet, das Signal der Stromsensorvorrichtung auszuwerten und ggf. ein Fehlersignal abzugeben.
-
Die Steuereinrichtung kann ferner zur Aufbereitung des Signals der Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein. Es kann auch eine Funktion der Stromsensorvorrichtung in der Steuereinrichtung implementiert sein, etwa die Bildung der Summe (unter Berücksichtigung der Vorzeichen) bzw. der Summe zwischen den einzeln erfassten Strömen der Stromschienen. Die Stromsensorvorrichtung und die Steuereinrichtung können zumindest teilweise integriert sein, etwa in Form eines Mikroprozessors mit Eingängen, welche mit mindestens einem Stromerfassungselement (bzw. allen Stromerfassungselementen) verbunden sind.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Überwachungsschaltung eine Bezugspotential-Stromschiene aufweist. Diese führt das Bezugspotential (PE-Leiter-Potential, Erdungspotential, Chassis- oder Fahrzeugmassepotential). Die Stromsensorvorrichtung ist in dieser Ausführungsform eingerichtet, den Gleichtaktstrom der Gesamtheit der Stromschienen (erste, zweite Hochvolt-Stromschienen und Bezugspotential-Stromschiene) zu erfassen. Die Stromsensorvorrichtung ist in dieser Ausführungsform eingerichtet, den Gleichtaktstrom der Stromschienen beiden Hochvolt-Stromschienen und der Bezugspotential-Stromschiene als einen gemeinsamen Gleichtaktstrom zu erfassen. Weist die Stromsensorvorrichtung einen Magnetkern auf, um über dessen Magnetisierung den Gleichtaktstrom (mittels eines Magnet-/Hall-Sensors) oder dessen zeitliche Ableitung (mittels einer Sensorwicklung) zu erfassen, dann verlaufen beide Hochvolt-Stromschienen sowie die Bezugspotential-Stromschiene durch den Magnetkern hindurch.
-
Die Stromschienen treten vorzugsweise von derselben Seite aus durch die Fläche hindurch, die der Magnetkern in seinem Inneren aufspannt. Dadurch werden alle Ströme durch die Stromschienen unter Berücksichtigung der Stromrichtung (d.h. der Vorzeichen der Ströme) addiert. Heben sich alle Ströme gegenseitig auf, ist der Gleichtaktstrom null und es besteht kein Fehlerstrom / Berührstrom bzw. es besteht nicht der hier beschriebene Isolationsfehler. Heben sich die einzelnen Ströme durch die Stromschienen nicht gegenseitig auf, dann fließt von einer Stromschiene ein Fehlerstrom ab (oder wird in diese injiziert), und es ergibt sich ein Fehlerstrom bzw. Berührstrom größer null.
-
Beim Anstecken oder Zuschalten einer Gleichspannungsquelle oder einer -Senke (oder einer Übertragungsstrecke) an die Überwachungsschaltung treten Ausgleichs- und Aufladungsstromflüsse auf, insbesondere da die genannte (reale) Systemkomponente eine parasitäre Kapazität und/oder Induktivität aufweisen, ggf. auch Kapazitäten oder Induktivitäten, die als Bauteile vorliegen, etwa als Filterbauteile. Es entstehen Ausgleichsprozesse in Form von Magnetisierungen bzw. Aufladungen der Induktivitäten bzw. Kapazitäten, die zu einem Gleichtaktstrom durch die beiden Hochvolt-Stromschienen, welcher zum fehlerhaften Auslösen des Fehlersignals führen können. Wenn der Gleichtaktstrom der beiden Hochvolt-Stromschienen sowie der Bezugspotential-Stromschiene als ein gemeinsamer Gleichtaktstrom erfasst werden, dann führt der Stromfluss, der aus den Ausgleichsprozessen beim Anstecken resultiert, durch diese drei Stromschienen in gegenseitig ausgleichender Weise. Ergibt sich beispielsweise eine Aufladung einer Kapazität zwischen einer Hochvolt-Stromschiene und den Bezugspotential, dann führt dies zu einem gemeinsamen Gleichtaktstrom von null, da sich die Stromflüsse durch die drei Stromschienen (beide Hochvolt-Stromschienen und Bezugspotential-Stromschiene) gegenseitig aufheben. Insbesondere kompensiert der Stromfluss durch die Bezugspotential-Stromschiene den asymmetrischen Aufladestromfluss der Kapazitäten, die zwischen den Hochvolt-Stromschienen und dem Bezugspotential bestehen. Dies stellt eine von mehreren Möglichkeiten dar, zu verhindern, dass Ausgleichsprozesse beim Anstecken bzw. Zuschalten zu einer fehlhaften Auslösung (d.h. Abgabe eines Fehlersignals) führen. Weitere Möglichkeiten sind im Folgenden dargestellt.
-
Die Überwachungsschaltung kann eine Maskierungseinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die Erfassung eines Gleichtaktstroms (der beiden Hochvolt-Stromschienen oder dieser Stromschienen zusammen mit der Bezugspotential-Stromschiene) während einem Zuschaltzeitintervall zu unterdrücken. Das Zuschaltzeitintervall deckt den Zeitpunkt ab, in welchem eine Ladestromquelle an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird. Mit anderen Worten deckt das Zuschaltzeitintervall den Zeitpunkt ab, in dem eine Gleichspannungsquelle oder -senke (oder Übertragungsstrecke) an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird. Das Zuschaltzeitintervall beginnt mit dem Zeitpunkt des Anschließens oder mit dem Auftreten eines Signals, welches das Anschließen ankündigt (Öffnen der Ladeklappe, Stecksignal eines Interlocks, Schließbefehl für einen Trennschalter, ...). Das Zuschaltzeitintervall kann nach einer vorgegebenen Zeitdauer enden, die die Dauer der Ausgleichprozesse wiedergibt. Das Zeitintervall kann ferner beendet werden, wenn erfasst wird, dass die Ausgleichprozesse beendet sind, etwa wenn eine Spannungsänderungsrate unter einen Grenzwert fällt. Dies kann für Spannungen gelten, die zwischen dem Bezugspotential und einem der Hochvolt-Stromschienen bestehen. Das Zeitintervall kann zudem beendet werden, wenn erfasst wird, dass die Ausgleichprozesse beendet sind, etwa wenn Ausgleichsströme (Auflade-/Umladeströme) betragsmäßig unter einen Grenzwert fallen.
-
Da ferner die Ausgleichsprozesse häufig mit Schwingungsvorgängen einhergehen (etwa aufgrund von Kapazitäten und Induktivitäten), dann kann das Zuschaltzeitintervall die Zeit markieren, in der Schwingungen des Stroms (in einer der Stromschienen) oder der Spannung (zwischen Bezugspotential und Hochvolt-Spannungsschiene oder zwischen den Hochvolt-Spannungsschienen) auftreten sind. Die Maskierungseinrichtung kann ferner eingerichtet sein, Gleichtaktströme zu unterdrücken, die ein Überschwingen (periodische Muster) aufweisen. Berührströme führen üblicherweise zu aperiodischen Prozessen, so dass sich diese anhand der Signaleigenschaften von Ausgleichsprozessen bei Zuschaltvorgängen unterscheidbar sind. Die Maskierungseinrichtung ist unterdrückt nicht die Signale, die den aperiodischen Prozessen zuzuordnen sind (aperiodische Signale bzw. Gleichtaktströme) und unterdrückt Signale, die schwingenden Prozessen (Einschwingvorgängen) zuzuordnen sind (zu erkennen an aperiodisch schwingenden Signalen bzw. Gleichtaktströmen). Eine entsprechende Maskierungseinrichtung kann Teil der Überwachungsschaltung bzw. der Sensorvorrichtung sein, und kann ferner Teil der Steuereinrichtung sein. Die Maskierungseinrichtung kann eingerichtet sein, Signale mit Kosinusanteil zu oder Signale mit nicht monotonem Verlauf unterdrücken und monoton steigende oder fallende Signale nicht zu unterdrücken. Die Maskierungseinrichtung kann eingerichtet sein, das Abgeben von Fehlersignalen, die auf die genannten Signale zurückgehen abhängig von diesen Eigenschaften der Signale zu unterdrücken oder nicht zu unterdrücken.
-
Alternativ oder in Kombination hiermit kann daher die Steuereinrichtung eine Maskierungseinrichtung aufweisen, insbesondere eine Maskierungseinrichtung mit den vorangehend genannten Eigenschaften und Merkmalen. Die Maskierungseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet ist, das Abgeben eines Fehlersignals während einem Zuschaltzeitintervall zu unterdrücken, in welchem eine Ladestromquelle an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird. Hierbei kann das Zuschaltzeitintervall wie vorangehend beschrieben ausgestaltet sein. In dieser Variante wird nicht die Erfassung maskiert, indem das Signal unterdrückt wird, sondern die Fehlerabgabe wird unterdrückt bzw. die Steuereinrichtung, welche zur Fehlersignalabgabe eingerichtet ist, unterdrückt in den genannten Situationen bzw. Zeitpunkten das Abgeben eines Fehlersignals.
-
Die im Folgenden beschriebene Ausführungsform sieht vor, dass nicht nur allgemein ein Fehler erkannt wird bzw. ein allgemeines Fehlersignal abgegeben wird, sondern erlaubt eine Unterscheidung, welche der beiden Hochvolt-Stromschienen von dem Berührstrom betroffen sind (d.h. welche der beiden Hochvolt-Stromschienen einen fehlerhaft geringen Isolationswiderstand gegenüber dem Bezugspotential haben). Das Fehlersignal gibt dann nicht nur an, dass ein Berührstrom/Fehlerstrom fließt, der über einer Grenze liegt, sondern auch, welche der beiden Hochvoltpotentiale bzw. Hochvoltstromschienen hiervon betroffen ist. Die Polarität des Gleichtaktstroms gibt die Polarität der Hochvoltstromschiene bzw. des Hochvoltpotentials an, welches aufgrund fehlerhafter Isolierung gegenüber dem Bezugspotential für den Berührstrom bzw. von dem Isolationsfehler betroffen ist. Die Steuereinrichtung kann hierfür ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, ein Fehlersignal erster Art abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom eine erste Polarität hat. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, ein Fehlersignal zweiter Art abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom eine zur ersten Polarität entgegengesetzte Polarität hat. Die Art des Fehlersignals gibt vorzugweise an, welche Polarität das Hochvoltpotential hat, welches über einen zu geringen Isolationswiderstand mit dem Bezugspotential verbunden ist, d.h. von dem der Berührstrom abgeht bzw. in das der Berührstrom injiziert wird.
-
Es können ein erster und ein zweiter Entladeschalter vorgesehen sein, wobei der erste Entladeschalter zwischen dem Bezugspotential und der ersten Hochvolt-Stromschiene vorgesehen ist und der zweite Entladeschalter zwischen dem Bezugspotential und der ersten Hochvolt-Stromschiene vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ansteuernd mit den Entladeschaltern verbunden. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, denjenigen Entladeschalter zu schließen, der mit derjenigen Hochvolt-Stromschiene verbunden ist, welche die gleiche Polarität wie der Gleichtaktstrom hat. Der andere Entladeschalter bleibt vorzugsweise offen. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, abhängig von der Art des Fehlersignals bzw. abhängig von der Polarität des Gleichtaktstroms den ersten oder den zweiten Entladeschalter zu schließen. Der jeweils andere Entladeschalter bleibt vorzugsweise geöffnet. Die Steuereinrichtung ist entsprechend ausgebildet.
-
Die erste Hochvolt-Stromschiene weist vorzugsweise die erste Polarität auf, die beispielsweise positiv ist. Die erste Hochvolt-Stromschiene weist insbesondere ein erstes Hochvolt-Potential auf, das beispielsweise positiv ist. Die zweite Hochvolt-Stromschiene kann die zweite (entgegengesetzte) Polarität aufweisen, die beispielsweise negativ ist. Die zweite Hochvolt-Stromschiene weist insbesondere ein zweites Hochvolt-Potential auf, das beispielsweise negativ ist. Das Fehlersignal erster Art kennzeichnet vorzugsweise einen Berührstrom an der ersten (positiven) Hochvolt-Stromschiene. Das Fehlersignal zweiter Art kennzeichnet einen Berührstrom an der zweiten Hochvolt-Stromschiene. Das Fehlersignal erster Art unterscheidet sich vom Fehlersignal zweiter Art. Das Fehlersignal kann binär sein und ist insbesondere gemäß einem (fahrzeugbezogenen) Standard zur Datenübertragung ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, bei einem Fehlersignal erster Art einen Entladeschalter zu schließen, der die erste Hochvolt-Stromschiene mit dem Bezugspotential (bzw. der Bezugspotential-Stromschiene) schaltbar verbindet, insbesondere über einen Entladewiderstand. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, bei einem Fehlersignal zweiter Art einen Entladeschalter zu schließen, der die zweite Hochvolt-Stromschiene mit dem Bezugspotential (bzw. der Bezugspotential-Stromschiene) schaltbar verbindet, insbesondere über einen Entladewiderstand. Während des Schließzustands des betreffenden Entladeschalters bleibt der jeweils andere Entladeschalter geöffnet; die Steuereinrichtung ist entsprechend ausgebildet, dies so anzusteuern. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, ein Steuersignal für die entsprechenden Entladeschalter abzugeben, welches die vorangehend erwähnte Ansteuerung veranlasst.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der positiven Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom positiv ist. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der negativen Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom negativ ist. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der positiven Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Gleichtaktstroms eine positive Grenze überschreitet. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der negativen Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Gleichtaktstrom eine negative Grenze unterschreitet.
-
Die Stromsensorvorrichtung kann auf einem Shunt-Widerständen basieren, mittels denen der Gleichtaktstrom ermittelt werden kann. Ferner kann die Stromsensorvorrichtung auf der Erfassung eines statischen Magnetfelds (hervorgerufen durch den Gleichtaktstrom) oder auf der Erfassung eines veränderlichen Magnetfelds (hervorgerufen durch die Änderung des Gleichtaktstroms) basieren. Bei der Erfassung mittels Magnetfeld wird vorzugsweise ein Magnetkern verwendet, der die Magnetfelder der betreffenden Stromschienen sammelt. Die Stromsensorvorrichtung kann daher einen Magnetkern aufweisen, der die Stromschienen umgreift. Der Magnetkern kann eine Sensorwicklung tragen. Ändert sich das Magnetfeld bzw. die Magnetisierung im Magnetkern, dann induziert dies eine Spannung in der Sensorwicklung. Diese gibt den Gleichtaktstrom (insbesondere dessen zeitliche Änderung) wieder. Ferner kann der Magnetkern magnetisch mit einem Hallsensor gekoppelt sein. Der Hallsensor kann in einem Luftspalt des Magnetkerns vorgesehen sein, um so die Magnetisierung bzw. das Magnetfeld in dem Magnetkern zu erfassen. Das Signal des Hallsensors gibt die magnetische Flussstärke und somit die Stärke des Gleichtaktstroms wieder. Alternativ kann die Stromsensorvorrichtung einen Shuntwiderstand aufweisen. Vorzugsweise ist in den Stromschienen (seriell) jeweils ein Shuntwiderstand vorgesehen. Die Summe aller Spannungen, die über den Shuntwiderständen abfallen, gibt den Gleichtaktstrom wieder, der durch die Stromschienen fließt. Dies betrifft die erste und die zweite Hochvolt-Stromschiene sowie gegebenenfalls ebenso die Bezugspotential-Stromschiene. Die Ermittlung des Gleichtaktstroms und insbesondere die Sensorvorrichtung bezieht sich auf den Gleichtaktstrom der ersten und der zweiten Hochvolt-Stromschiene sowie gegebenenfalls ebenso der Bezugspotential-Stromschiene.
-
Die Überwachungsschaltung kann in einer oder in mehreren der genannten Systemkomponenten (Quelle, Übertragungsstrecke, Senke) eingesetzt werden. Im Folgenden ist eine Anwendung in einer Quelle in Form einer Ladestation für Plug-In-Elektrofahrzeuge beschrieben. Eine Gleichspannungs-Ladestation ist mit hier beschriebenen der Überwachungsschaltung ausgebildet. Die Gleichspannungs-Ladestation weist einen Ladeanschluss auf, dem die Überwachungsschaltung vorgeschaltet ist. Der Ladeanschluss ist derart ausgebildet, dass ein Ladekabel (von außen) eingesteckt werden kann. Der Ladeanschluss ist vorzugsweise gemäß einem Standard zum Laden von Elektrofahrzeugen ausgestaltet. Die Überwachungsschaltung ist vorzugsweise direkt dem Ladeanschluss vorgeschaltet, d.h. insbesondere ohne zwischengeschaltete Filterkomponenten oder Wandler. Die Ladestation weist Trennschalter auf, die von der Überwachungsschaltung angesteuert werden (direkt oder indirekt über eine weitere datenverarbeitende Einheit), und die von der Überwachungsschaltung direkt oder indirekt geöffnet werden, wenn das Fehlersignal auftritt. Hierbei kann nur ein Trennschalter einer Stromschiene nur einer Polarität geöffnet werden, insbesondere wenn das Fehlersignal der betreffenden Art (die sich auch diese Polarität bezieht) auftritt.
-
Im Folgenden ist eine Anwendung in einer Übertragungsstrecke in Form eines Gleichspannungs-Ladekabels für Plug-In-Elektrofahrzeuge beschrieben. Auch das Ladekabel kann die Überwachungsschaltung aufweisen. Zwischen entgegengesetzten Enden des Ladekabels sind die Stromschienen der Überwachungsschaltung seriell zwischengeschaltet. Ein Ende des Ladekabels oder beide Enden der Ladekabel weisen ein Steckverbindungselement auf, das vorzugsweise gemäß einem Standard zum Laden von Elektrofahrzeugen ausgestaltet ist.
-
Im Folgenden ist eine Anwendung in einer Senke in Form einer Fahrzeugladeschaltung für Plug-In-Elektrofahrzeuge beschrieben. Die Fahrzeugladeschaltung ist zum Laden mit Gleichstrom ausgebildet bzw. ist eine Gleichspannungs-Fahrzeugladeschaltung. Die Fahrzeugladeschaltung weist einen Ladeanschluss aufweist, dem die Überwachungsschaltung nachgeschaltet ist. Dieser Ladeanschluss ist vorzugsweise gemäß einem Standard zum Laden von Elektrofahrzeugen ausgestaltet. Die Überwachungsschaltung ist diesem Ladeanschluss vorzugsweise direkt nachgeschaltet, d.h. insbesondere ohne zwischengeschaltete Filterkomponenten oder Wandler. Die Fahrzeugladeschaltung weist Trennschalter auf, die von der Überwachungsschaltung angesteuert werden (direkt oder indirekt über eine weitere datenverarbeitende Einheit), und die von der Überwachungsschaltung direkt oder indirekt geöffnet werden, wenn das Fehlersignal auftritt. Hierbei kann nur ein Trennschalter einer Stromschiene nur einer Polarität geöffnet werden, insbesondere wenn das Fehlersignal der betreffenden Art (die sich auch diese Polarität bezieht) auftritt.
-
Zudem wird ein Verfahren zur Erfassung eines Fehlers bei einem Hochvolt-Gleichstromladevorgang beschrieben, insbesondere eines Isolationsfehlers eines Hochvoltpotentials gegenüber einem Bezugspotential. Das Verfahren implementiert die hier beschriebene Vorgehensweise und weist daher Merkmale auf, die den Eigenschaften von hier beschriebenen Vorrichtungsmerkmalen entsprechen.
-
Im Rahmen des Verfahrens wird ein erstes Hochvoltpotential und ein zweites Hochvoltpotential über eine erste und eine zweite Hochvolt-Stromschiene übertragen. Es wird eine Ladeleistung übertragen mittels eines Gleichstroms, der über die Hochvolt-Stromschienen geführt wird. Das Verfahren sieht vor, einen Gleichtaktstrom zu erfassen, der durch die Stromschienen fließt, vorzugsweise mit den hier beschriebenen Mitteln. Es wird der Gleichtaktstrom mit einer Grenze verglichen; insbesondere wird der Betrag des Gleichtaktstroms mit der Grenze verglichen. Dies kann in der Steuereinrichtung geschehen. Es wird ein Fehlersignal abgegeben, wenn der Gleichtaktstrom positiv ist und eine Obergrenze überschreitet, oder wenn der Gleichtaktstrom negativ ist und eine Untergrenze unterschreitet. Es können hierbei Fehlersignale unterschiedlicher Art abgegeben werden, abhängig davon, ob die Obergrenze überschritten wird, oder die Untergrenze unterschritten wird. Alternativ wird ein Fehlersignal abgegeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet. Es können Trennschalter, die eingerichtet sind, den Leistungspfad der Ladeleistung aufzutrennen, geöffnet werden, wenn ein derartiges Fehlersignal abgegeben wird.
-
Es kann ein Fehlersignal erster Art abgegeben werden, wenn der Gleichtaktstrom positiv ist und die Obergrenze überschreitet (oder der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet). Es kann ein Fehlersignal zweiter Art abgegeben werden, wenn der Gleichtaktstrom negativ ist und die Untergrenze unterschreitet (oder der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet). Anstatt oder in Kombination der Abgabe von Fehlersignalen erster oder zweiter Art kann vorgesehen sein, dass bei einem positiven Gleichtaktstrom (über der Grenze) die positive Hochvolt-Potentialschiene gegenüber einem Bezugspotential wie Masse oder Chassis entladen wird und dass bei einem negativen Gleichtaktstrom (betragsmäßig über der Grenze oder unter einer negativen Grenze) die negative Hochvolt-Potentialschiene gegenüber einem Bezugspotential wie Masse oder Chassis entladen wird. Es wird vorzugsweise immer nur eine Hochvolt-Potentialschiene gegenüber dem Bezugspotential entladen, nicht beide gleichzeitig.
-
Die 1 dient zur beispielhaften Erläuterung der hier beschriebenen Vorrichtungen und des hier beschriebenen Verfahrens.
-
Eine (Gleichstrom-)Ladestation LS ist über einen Ladeanschluss LA der Ladestation LS mit einem (Gleichstrom-)Ladekabel LK verbunden. Das Ladekabel LK verbindet den Ladeanschluss LA der Ladestation LS mit einem Ladeanschluss LA eines (Gleichstrom-)Fahrzeugbordnetzes FB. Es sind Leitungswiderstände Ra-Rf dargestellt, die dem Ladekabel zugeordnet sind. Es sind ferner Induktivitäten (parasitärer Art) La - Lf dargestellt, die ebenso dem Ladekabel zugeordnet sind. Die Elemente Ra - Rf und La - Lf betreffen ein Ersatzschaltbild des Ladekabels LK.
-
Das Fahrzeugbordnetz FB verfügt über eine Akkumulatorvorrichtung A, die den Akkumulator und Trennschalter S3, S4 aufweist. Die Akkumulatorvorrichtung A ist über Trennschalter S1, S2 an den Ladeanschluss LA' des Fahrzeugbordnetz FB angeschlossen, insbesondere wandlerfrei. Es besteht eine Zwischenkreiskapazität CF zwischen der Akkumulatorvorrichtung A und den Trennschaltern S1, S2. Es sind parasitäre oder filterbezogene Cy-Kondensatoren C3, C4 dargestellt sowie Isolationswiderstände R3, R4 (als Bauelemente eines Ersatzschaltbilds).
Die Ersatzschaltbild-Bauelemente C3, C4 sowie R3, R4 verbinden jeweils ein Bezugspotential GND mit einem Hochvoltpotential. Es sind ein erstes Hochvoltpotential HV+ sowie ein zweites Hochvoltpotential HV- dargestellt. Aufgrund der Verbindung von Ladestation, Ladekabel und Fahrzeugbordnetz weisen alle diese drei Systemkomponenten diese Hochvoltpotentiale auf. Dies gilt auch für das Bezugspotential GND.
-
Die Ladestation LS verfügt über eine Gleichspannungsquelle HS, die die Hochvoltpotentiale HV+, HV- abgibt. Es sind zwei Hochspannungs-Stromschienen dargestellt, die diese Hochvoltpotentiale HV+, HV- führen und daher mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Die Ladestation LS verfügt über Isolationswiderstände R1, R2, die das Bezugspotential GND der betreffenden Stromschiene G gegenüber den Hochvoltpotentialen HV+, HV- aufweisen. Ferner sind entsprechende Kapazitäten C1, C2 als Cy-Kapazitäten dargestellt. Diese entsprechen Bauelemente eines Ersatzschaltbildes von Leitungen innerhalb der Ladestation. Ein Zwischenkreiskondensator CL der Ladestation LS ist an die Potentiale HV+, HV- der Ladestation LS angeschlossen. Die Ladestation LS weist eine Überwachungsschaltung auf, die zwei Hochspannungs-Stromschienen HV+, HV- aufweist. Diese können als Abschnitt der Hochspannungs-Stromschienen der Ladestation LS betrachtet werden. Ferner weist die Überwachungsschaltung eine Bezugspotential-Stromschiene G auf, die das Bezugspotential GND (Erdpotential) trägt. Eine Stromsensorvorrichtung ist eingerichtet, die Ströme I+, I- und IG zu erfassen, die durch die Stromschienen fließen. Präziser formuliert ist die Stromsensorvorrichtung eingerichtet, den Gleichtaktstrom (Summe der Ströme IG, I- und I+) der Stromschienen HV+, G, HV- zu erfassen. Die Erfassung der einzelnen Ströme mittels der Messeinrichtungen M+, M- und M- ist symbolisch dargestellt. Vorzugsweise wird eine Stromsensorvorrichtung verwendet, die den Gleichtaktstrom erfasst. Es können auch einzelne Sensormesselemente vorgesehen sein, wie mit M+, M- und MG dargestellt, die den die einzelnen Ströme I+, I- und IG erfassen, so dass diese (incl. Vorzeichen) addiert werden können, etwa von einer Steuereinrichtung C.
-
Es kann ein Magnetkern K vorgesehen sein, der die Stromschienen HV+, HV- und G umgreift und der von deren Gleichtaktstrom magnetisiert wird. Ein Magnetsensor oder eine Sensorspule kann magnetisch mit dem Magnetkern gekoppelt sein und so den Gleichtaktstrom (über die Stärke der Magnetisierung oder den magnetischen Fluss durch den Kern oder die zeitliche Ableitung dieser Größen) erfassen. Das betreffende erfasste Signal, das den Gleichtaktstrom wiedergibt, wird an die Steuereinrichtung C übermittelt.
-
Die Steuereinrichtung C gibt ein Signal ab, wenn der Gleichtaktstrom (dessen Betrag oder der Betrag der zeitlichen Ableitung hiervon) eine Grenze überschreitet. Die Grenze kann vorgegeben sein durch Speicherung in einem Speicher der Steuereinrichtung C oder durch Eingabe über einen Eingang der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, einen negativen Gleichtaktstrom oder eine negative erste zeitliche Ableitung des Gleichtaktstroms von einem positiven Gleichtaktstrom oder einer positiven ersten zeitlichen Ableitung des Gleichtaktstroms zu unterscheiden und bei einer Überschreitung / Unterschreitung der Grenze Fehlersignale unterschiedlicher Art abzugeben. Dadurch kann anhand des Fehlersignals festgestellt werden, welches Hochvoltpotential von dem Isolationsfehler gegenüber dem Bezugspotential betroffen ist.
-
Im Folgenden ist die Wirkungsweise dargestellt: Besteht ein Isolationsfehlerwiderstand F, d.h. ein Widerstand, der aufgrund eines Isolationsfehlers ein Hochvolt-Potential einer Stromschiene HV+ (der Ladestation LS oder des daran angeschlossenen Ladekabels LK) mit dem Bezugspotential GND verbindet, dann fließt ein Fehlerstrom IF. Etwa ein Mensch kann in diesem Fall den Widerstand darstellen. Von dem Strom I+, der von der Ladestation LS abgegeben wird, fließt somit ein Teil IF direkt zum Potential GND (über Widerstand F), so dass auch nur ein Teil des Stroms I+, der von der Ladestation LS abgegeben wird, zum Fahrzeugbordnetz FB gelangt. Folglich ist der Betrag des Rückstroms I-geringer, nämlich um den Betrag, der IF ausmacht. Der Betrag des an der Ladestation ankommenden Rückstroms I- ist daher kleiner als der Betrag des Strom I+, der von der Ladestation abgegeben wird. Es ergibt sich ein positiver Gleichtaktstrom für die Stromschienen HV+, HV- und G, der erfasst wird. Hierbei wird vorzugsweise nicht nur ermittelt, ob der Betrag des Gleichtaktstroms über eine Grenze liegt, sondern auch, welches Vorzeichen dieser aufweist. Ist das Vorzeichen positiv, dann besteht ein wie dargestellt eine Isolationsfehler in der positiven Potentialschiene (einer der Komponenten LK, FB, die der Überwachungsschaltung bzw. der Ladestation LS nachgeschaltet sind) in Form des Widerstands F, der den Fehlerstrom IF ermöglicht.
-
Beim Anbinden der Ladestation an das Ladekabel LK bzw. an das Fahrzeugbordnetz FB (Anstecken an Anschlüsse LA, LA' oder Schließen der Schalter S1, S2 oder S3, S4), entsteht ein Ladungsausgleichstrom, insbesondere wenn die Cy-Kondensatoren C3, C4 des Fahrzeugbordnetzes FB noch ungeladen sind bzw. wenn die Induktivitäten La- Lf nicht magnetisiert sind. In diesem Fall wird ein (zum Bezugspotential GND) unsymmetrischer Ausgleichsprozess entstehen, in Rahmen dessen der Ladungsausgleichstrom fließt. Auch die Aufladung der Kapazität CF des Fahrzeugbordnetzes FB erzeugt einen Stromstoß. Diese Prozesse führen beim Anstecken somit zu Strömen, die (auch) einen Gleichtaktstromkomponente mit sich bringen. Diese können durch Maskierungseinrichtung unterdrückt werden.
-
Ferner können jedoch wie dargestellt nicht nur die Hochvolt-Stromschienen HV+, HV-, sondern auch die Bezugspotential-Stromschiene G zur Erfassung des Gleichtaktstroms herangezogen werden. Es wird somit der Gleichtaktstrom der Einzelströme ermittelt, die durch die Hochvolt-Stromschienen HV+, HV- sowie durch die Bezugspotential-Stromschiene G fließen. Asymmetrische Komponenten der Ströme, die durch Ausgleichsprozesse beim Anstecken/Zuschalten entstehen, werden jedoch über die Bezugspotential-Stromschiene G zum Potential GND abgeführt, so dass insgesamt Aufladungsprozesse / Magnetisierungsprozesse jenseits der Überwachungsvorrichtung (d.h. jenseits der Stelle, an der die Ströme der Stromschienen gemessen werden) nicht zu einem Gleichtaktstrom führen. Mit anderen Worten kompensiert die Berücksichtigung des Stroms durch die Bezugspotential-Stromschiene bei der Erfassung des Gleichtaktstroms Asymmetrien bei den Ausgleichsprozessen, die beim Anstecken entstehen. Wird wie symbolhaft dargestellt neben den Strömen l+ und I- auf der Strom IG erfasst, um den gemeinsamen Gleichtaktstrom zu bilden, dann führen Ausgleichsprozesse nicht zur Erzeugung eines Fehlersignals, da asymmetrische Ausgleichstromkomponenten dadurch ausgeglichen werden, dass auch der Strom IG (Strom der Bezugspotential-Stromschiene) bei der Bildung des Gleichtaktstroms berücksichtigt wird.
-
Die Steuereinrichtung C kann ansteuernd mit Trennschaltern S1, S2 bzw. S3, S4 verbunden sein. Wird ermittelt, dass der Gleichtaktstrombetrag über einer Grenze liegt, dann steuert die Steuereinrichtung C die Trennschalter an, zu öffnen. Die Steuereinrichtung C ist hierzu ausgebildet. Die Schalter S1, S2 bilden eine allpolige Trennschaltervorrichtung, die dem Ladeanschluss LA' des Fahrzeugbordnetzes FB vorgeschaltet sind. Die Schalter S3, S4 bilden eine allpolige Trennschaltervorrichtung innerhalb der Akkumulatorvorrichtung A, die bei offenem Zustand den Akkumulator von Anschlüssen der Akkumulatorvorrichtung A abtrennen.
-
In bestimmten Ausführungsformen kann ein erster Entladeschalter 1 und ein zweiter Entladeschalter 2 vorgesehen sein. Entladeschalter 1 verbindet schaltbar die Hochvolt-Stromschiene HV+ mit der Bezugspotential-Stromschiene G. Entladeschalter 2 verbindet schaltbar die Hochvolt-Stromschiene HV- mit der Bezugspotential-Stromschiene G. Die Entladeschalter 1, 2 vorzugsweise Teil der Überwachungsschaltung. Die Steuereinrichtung C ist ansteuernd mit den Entladeschaltern 1, 2 verbunden. Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, bei Erfassen des hier beschriebenen Fehlers einen der beiden Entladeschalter 1, 2 zu schließen (während der andere geöffnet bleibt). Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, einen der beiden Entladeschalter 1, 2 zu schließen (während der andere geöffnet bleibt), wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet.
-
Ist der Gleichtaktstrom (Summe von I+, IG, I- oder von I+ und I-) positiv, entspricht dies einem Fehlerstrom, der die Hochvolt-Stromschiene HV+ betrifft. Dies entspricht einem Fehlerzustand, der das Fehlersignal erster Art auslöst. Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, in diesem Fall denjenigen Entladeschalter zu schließen, welcher an der ersten Hochvolt-Stromschiene HV+ angeschlossen ist, d.h. Entladeschalter 1. Ist der Gleichtaktstrom negativ, entspricht dies einem Fehlerstrom, der die zweite Hochvolt-Stromschiene HV- betrifft. Dies entspricht einem Fehlerzustand, der das Fehlersignal zweiter Art auslöst. Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, in diesem Fall denjenigen Entladeschalter zu schließen, welcher an der zweiten Hochvolt-Stromschiene HV- angeschlossen ist, d.h. Entladeschalter 2. Die Steuereinrichtung C ist insbesondere eingerichtet, abhängig von der Art des Fehlersignals den ersten oder den zweiten Entladeschalter 1, 2 zu schließen. Bei einem Fehlersignal erster Art wird der ersten Entladeschalter 1 geschlossen (nicht der zweite). Bei einem Fehlersignal zweiter Art wird der zweite Entladeschalter 2 geschlossen (nicht der erste). Die Steuereinrichtung C ist ausgebildet und ansteuernd mit den Entladeschalten 1, 2 verbunden, um diese Ansteuerung auszuführen und die betreffende Unterscheidung anhand der Polarität des Gleichtaktstroms zu treffen. Symbolhaft dargestellt sind Entladeschalter 1, 2, die die Stromschiene G direkt mit der Stromschiene HV+, HV- verbindet. Es können jedoch auch Entladewiderstände vorgesehen sein, die in Reihe mit den Entladeschaltern geschaltet sind, wobei jeder Entladeschalter nicht direkt, sondern über einen der Entladewiderstände (Strombegrenzungswiderstand) an die betreffenden Stromschienen angeschlossen ist, insbesondere um den Entladestrom zu begrenzen.
-
Die Grenze, mit der der Betrag des Gleichtaktstroms verglichen wird, beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 40 mA, vorzugsweise 30 mA oder weniger, 20 mA oder weniger, 10 mA oder weniger, 5 mA oder weniger oder 3,5 mA oder weniger.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Fehlersignal nur dann abgegeben wird, wenn der Gleichtaktstrom für länger als eine vorgegebene Zeitdauer (etwa länger als 1 ns, 10 ns, 100 ns, 1 ms oder länger als 5 ms) die Grenze überschreitet (bzw. unterschreitet). Die Zeitdauer kann mit dem Betrag ansteigen, um den der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze übersteigt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102018217574 A1 [0005]
